封堵條件下管廊溫度場與煙氣流動規(guī)律研究

梁凱 張思源 安偉光 藍美娟 王景鑫

(1.浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江溫州 325016； 2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院 江蘇徐州 221116； 3.中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省城市地下空間火災(zāi)防護高校重點實驗室 江蘇徐州 221116)

0 引言

綜合管廊，又稱為綜合管溝或共同溝，指建于城市地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施，現(xiàn)在已成為各大城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”[1]。由于綜合管廊處于較為封閉的城市地下空間，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣與高溫環(huán)境使得綜合管廊的火災(zāi)危險性增大，極易造成重大城市危害。嚴恩澤等[2]建立L型結(jié)構(gòu)地下管廊火災(zāi)數(shù)值模型，分析了廊道內(nèi)L型拐點的煙氣積聚效應(yīng)及廊道溫度分布規(guī)律。趙永昌等[3]建立1∶3.6小尺寸管廊模型，運用實驗和數(shù)值模擬結(jié)合來探究火災(zāi)發(fā)生后的廊道溫度場分布及煙氣流動規(guī)律。劉浩男等[4]利用FDS軟件建立了小尺寸管廊模型，分析了不同風(fēng)速條件下管廊火災(zāi)煙氣蔓延情況。安偉光等[5]建立L型管廊模型，研究了火源特性和通風(fēng)條件對管廊煙氣蔓延及溫度變化的影響規(guī)律。AMOUZANDEH A等[6]利用CFD模擬軟件，研究了在不同通風(fēng)條件下拱形和矩形管廊截面對火災(zāi)溫度場的影響。CALIENDO C等[7]研究了火源位置、縱向通風(fēng)量對隧道煙氣溫度、能見度及有毒氣體濃度的影響。梁震寰等[8]研究了綜合管廊內(nèi)線型火源煙氣溫度場變化規(guī)律，得出管廊內(nèi)橫向溫度分布存在分界點，在分界點兩側(cè)，橫向溫度大致呈線性分布。

綜上研究，關(guān)于綜合管廊火災(zāi)模擬研究多集中在火災(zāi)發(fā)生后煙氣流動及溫度場分布規(guī)律等方面，考慮因素較為單一，主要集中在火源位置與縱向風(fēng)速兩個因素，尚未有端口封堵結(jié)構(gòu)因素對管廊煙氣流動及溫度場分布的影響研究。因此，根據(jù)實際實物管廊，利用FDS軟件建立全尺寸油池火模型，研究端口封堵因素對管廊內(nèi)煙氣流動及溫度場分布的影響規(guī)律，為城市綜合管廊的消防設(shè)計提供參考性依據(jù)。

1 綜合管廊火災(zāi)模型

1.1 管廊模型

根據(jù)城市地下綜合管廊實物以及《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定，建立城市地下綜合管廊模型，如圖1所示。綜合管廊模型的長、寬、高分別為10、3、3 m，通風(fēng)模式為自然通風(fēng)。

圖1 管廊模型示意

1.2 參數(shù)設(shè)置

綜合管廊的模擬參數(shù)如表1所示，火災(zāi)荷載設(shè)置為汽油油池火，為了貼近實際火災(zāi)場景，火災(zāi)類型為t2非穩(wěn)態(tài)增長模式，在10 s后達到最大火源功率，模擬時間為300 s，管廊材料為混凝土，管廊兩端設(shè)置有端口，火源功率300 kW。

數(shù)值模擬考慮的工況參數(shù)為管廊端口(a、b)的封堵結(jié)構(gòu)因子(本文指端口封堵面積與端口面積之比)大小，封堵率依次為0、0.2、0.4、0.6、0.8。

表1 模擬參數(shù)設(shè)置

1.3 測點設(shè)置

管廊測點布置如圖2所示。熱電偶溫度測點共計15處，每個測點由頂棚至下設(shè)置11個熱電偶，上下熱電偶之間間距0.15 m。以火源正上方中心處作為起始參考點，縱向設(shè)置若干煙氣層高度測量裝置，相鄰之間間距1.0 m。熱流測量平面分別設(shè)置在x=1.0、9.0 m處頂棚中心位置，煙氣能見度二維切片設(shè)置在z=2.0 m，溫度二維切片設(shè)置在y=0.01、1.0 m。

圖2 測點布置示意

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 溫度場分析

不同封堵條件下不同位置處管廊頂棚溫度隨時間的變化曲線如圖3所示。當管廊端口封堵的情況下，頂棚溫度呈增大趨勢。對比發(fā)現(xiàn)，當封堵結(jié)構(gòu)因子為0～0.4時，火源處#t0(火源中心正上方)與近火源點#t1的溫升變化幅度較小，溫升變化趨勢基本一致，當封堵結(jié)構(gòu)因子為0.6、0.8時，#t0與#t1的溫升變化幅度增大，距離火源中心參考點#t0越遠，頂棚溫升變化幅度越明顯，這是由于封堵阻礙煙氣流動加劇了煙氣在管廊空間的聚集，高溫?zé)煔馀c頂棚壁面進行大量對流換熱使得溫升變化顯著，封堵結(jié)構(gòu)因子越大(即端口封堵面積越大)，頂棚溫度越高。

(a)#t0

(b)#t1

(c)#t3

(d)#t5

計算250～300 s穩(wěn)定時間段#t1、#t3、#t5的平均溫度，其與封堵結(jié)構(gòu)因子的擬合關(guān)系如圖4所示，擬合系數(shù)均大于0.98，因此可以得出：隨著管廊端口結(jié)構(gòu)因子的增大，管廊內(nèi)頂棚溫度呈線性增加趨勢。

圖4 頂棚溫度平均值與封堵結(jié)構(gòu)因子的擬合

同一時刻、不同封堵條件下y=0.01、1.0 m處二維平面溫度切片如圖5所示，其中y=0.01 m代表管廊壁面，y=1.0 m代表管廊空間平面。對比發(fā)現(xiàn)，隨著端口封堵結(jié)構(gòu)因子的增大，壁面與廊道空間內(nèi)溫度變化范圍逐漸擴大，高溫?zé)煔鈱优c冷空氣層之間的分界面高度下降。此外，相比而言，管廊壁面的溫度變化區(qū)域比廊道內(nèi)部更大，當封堵結(jié)構(gòu)因子為0、0.2時較為顯著，隨著封堵結(jié)構(gòu)因子的繼續(xù)增大，壁面與廊道內(nèi)溫度變化區(qū)域基本相同，差別在于高溫區(qū)域的變化范圍大小方面，壁面處高溫變化區(qū)域相比廊道空間更大。各工況條件下，管廊壁面及廊道內(nèi)的最高溫度可達220 ℃，最低溫度為60 ℃左右。

(a)封堵結(jié)構(gòu)因子0,y=0.01 m (b)封堵結(jié)構(gòu)因子0,y=1 m (c)封堵結(jié)構(gòu)因子0.2,y=0.01 m

(d)封堵結(jié)構(gòu)因子0.2,y=1 m (e)封堵結(jié)構(gòu)因子0.4,y=0.01 m (f)封堵結(jié)構(gòu)因子0.4,y=1 m

2.2 煙氣流動特性分析

不同封堵條件下近火源與遠火源測點的煙氣層高度隨時間的變化曲線如圖6所示,近火源測點為#Layer1、#Layer2，遠火源測點為#Layer3、#Layer5。火災(zāi)發(fā)展初期，煙氣撞擊頂棚后縱向在管廊空間內(nèi)擴散，煙氣層高度逐漸下降。當管廊端口未封堵(即封堵結(jié)構(gòu)因子為0)時，由于火源燃燒卷吸空氣量較多，產(chǎn)生煙氣速率增大，煙氣層高度下降的速率相比端口封堵工況下更快。火災(zāi)發(fā)展中期，管廊內(nèi)煙氣縱向一維流動，逐漸積聚下沉，煙氣層高度迅速下降，當封堵結(jié)構(gòu)因子越大，煙氣層高度下降的速率越快，遠火源測點的煙氣層高度變化出現(xiàn)峰值，這是由于封堵導(dǎo)致煙氣在該位置空間開始出現(xiàn)聚集現(xiàn)象[10]。火災(zāi)發(fā)展穩(wěn)定期，管廊空間內(nèi)煙氣層高度變化緩慢，煙氣層高度變化趨于穩(wěn)定，煙氣層高度隨著端口封堵結(jié)構(gòu)因子的增大而逐漸降低，見圖7。

(a)#Layer1

(b)#Layer2

(c)#Layer3

(d)#Layer5

圖7 管廊內(nèi)無量綱煙氣層高度變化趨勢擬合

不同時刻下高度z=2 m處的煙氣能見度切片云圖如圖8所示。當管廊端口未封堵時(封堵結(jié)構(gòu)因子為0)，煙氣僅在管廊內(nèi)部呈現(xiàn)一維擴散流動狀態(tài)，管廊壁面一側(cè)及火源正上方的能見度始終保持最低。當封堵結(jié)構(gòu)因子為0.2時，相同時刻下，z=2 m平面的煙氣能見度均小于8 m，火源正上方部分區(qū)域的煙氣能見度維持在17～23 m。當封堵結(jié)構(gòu)因子為0.4、0.6、0.8時，煙氣流動狀態(tài)相似，煙氣撞擊頂棚后擴散流動，撞擊側(cè)壁后沿管廊縱向一維擴散，受端口封堵障礙物的阻礙作用下反向回流，與火源處煙氣混合后形成穩(wěn)定的煙氣層。在9 s時，高度2 m平面上墻壁一側(cè)與火源正上方的煙氣能見度最低，煙氣能見度均小于5 m，在15 s時，由于煙氣擴散流動過程中端口受封堵的阻礙影響，較多煙氣開始聚集端口，端口側(cè)煙氣能見度逐漸下降，部分煙氣反彈回流導(dǎo)致此平面其他區(qū)域煙氣能見度加速下降。在22 s時，煙氣回流與火源處產(chǎn)生的煙氣混合，此時該高度平面的煙氣能見度達到最低值，z=2 m處的管廊煙氣能見度均小于2 m。

(a)封堵結(jié)構(gòu)因子0(從左到右分別為30、120、220 s)

(b)封堵結(jié)構(gòu)因子0.2(從左到右分別為30、120、220 s)

(c)封堵結(jié)構(gòu)因子0.4(從左到右分別為9、15、22 s)

3 結(jié)論

(1)管廊端口封堵阻礙煙氣流動加劇了煙氣在管廊空間的聚集，高溫?zé)煔馀c頂棚壁面進行大量對流換熱使得管廊內(nèi)溫度場變化顯著，封堵結(jié)構(gòu)因子越大，頂棚溫度越高，通過擬合得出：隨著管廊端口結(jié)構(gòu)因子的增大，管廊內(nèi)頂棚溫度呈線性增加趨勢。

(2)隨著端口封堵結(jié)構(gòu)因子的增大，壁面與廊道空間內(nèi)溫度變化范圍逐漸擴大，管廊壁面的溫度變化區(qū)域比廊道內(nèi)部大，當封堵結(jié)構(gòu)因子為0、0.2時較為顯著，隨著封堵結(jié)構(gòu)因子的繼續(xù)增大，壁面與廊道內(nèi)溫度變化區(qū)域基本相同，差別在于壁面處高溫變化區(qū)域相比廊道空間更大。

(3)隨著管廊封堵結(jié)構(gòu)因子的增大，煙氣層高度隨著端口封堵結(jié)構(gòu)因子的增大而逐漸降低，無量綱煙氣層高度呈一次函數(shù)線性趨勢減小。